Дрова для третього тисячоліття
Продовжуємо розміщувати літературу з біоенергетики.
Історія людства, як стверджують археологи, налічує близько трьох мільйонів років. За цей термін людина подолала шлях від примітивних дерев'яних і кам'яних знарядь до комп'ютерів і космічних кораблів, від первісних вогнищ до атомних електростанцій. І на цьому шляху людині не менше 500 000 років супутній вогонь, а отже, деревина. І хоча з часом її значення для розвитку цивілізації почало знижуватися, деревина й сьогодні може чималою мірою сприяти прогресу.
«Дерев'яний» вогонь
У прекрасної давньогрецької легенди про Прометея, який приніс людям вогонь з Олімпу, є аналоги в міфах багатьох інших народів, що не дивно. Адже перший вогонь з'явився в людства, так би мовити, у готовому вигляді - від удару, наприклад, блискавки в суху деревину, або від вулканічної лави, або, скажімо, від торфу, що самозайнявся. І лише значно пізніше люди навчилися добувати вогонь самі.
Яким саме способом вони це робили спочатку - висіканням іскор при ударі каменя об камінь або тертям одна об одну сухих деревинок, - достеменно не відомо, але в будь-якому разі перший вогонь напевно був «дерев'яним». Горіла і несла тепло людям деревина, і саме дрова поклали початок майбутньому технічному прогресу.
Перекочувавши згодом у найпростіше, складене з каменів вогнище, а потім у піч - спочатку в глинобитну, а потім у цегляну, дрова протягом багатьох тисячоліть залишалися єдиним джерелом теплової енергії. Не обходилися без них ні скромні сільські лазні, ні грандіозні купальні споруди Стародавнього Риму, у тому числі знамениті терми Каракалли, де одночасно могли приймати водні процедури 2300 осіб. Дровами топилися і каміни, і прикрашені кахлями голландські печі, і «майстрині на всі руки» - знамениті російські печі, які і дім обігрівали, і хліб випікали, і одяг сушили. А за потреби служили навіть домашньою лазнею: у ній, хоч і згинаючись у три погибелі та ризикуючи замазатися сажею від стінок, все ж можна було помитися.
Але не лише для побутових потреб використовувалися дрова - вони відігравали найважливішу роль у багатьох технологічних процесах. Насамперед - у металургії, оскільки виплавлення металу без них було так само неможливе, як без руди. Примітний у цьому відношенні факт із дуже давньої історії. Археологи встановили, що близько трьох тисяч років тому в Стародавньому Єгипті раптово припинилося виплавлення міді. Зацікавившись причиною такого явища, вони виявили, що приблизно до цього часу в околицях великого родовища міді були повністю вирубані всі пальмові ліси, внаслідок чого зник деревне вугілля, яке отримували з пальм. Через нестачу палива плавильні печі гасли одна за одною, і зрештою виробництво необхідного населенню металу зовсім заглухло.
Зворотна цьому ситуація склалася в Росії у XVIII столітті, коли вона вийшла на перше місце у світі з виплавлення чавуну, обійшовши лідерів до цього Англію та Швецію. До кінця століття виробництво чавуну в Росії зросло порівняно з початком більш ніж у 60 разів. Причиною тому були зовсім не лише багатства гірських родовищ Уралу та майстерність вітчизняних металургів, а й невичерпна кількість деревного вугілля, яке виробляли з деревини навколишніх лісів. Адже для виплавлення одного пуда чавуну потрібно було спалити від трьох до п'яти пудів деревного вугілля, тобто 0,3-0,5 кубометра дров.
Великими споживачами деревини були й солеварні: кубічна сажень, тобто майже 10 кубометрів дров, потрібна була для виробництва 30 пудів солі. Не могли працювати без дров і гончарні майстерні, цегельні, скляні, цукрові та миловарні заводи, печі для випалювання вапняку тощо.
У XVIII столітті на Заході з'явилося у використанні кам'яне вугілля, але й після цього пароплави й паровози ще довго працювали на деревному паливі. І лише на початку ХХ століття транспорт значною мірою перейшов на нафтопродукти, проте в Росії - під час громадянської війни - він все ж працював переважно на дровах. На деревне паливо було переведено тоді й усю промисловість, що діяла в той час, а житлові будинки опалювалися тільки дровами. Аналогічне становище склалося в нашій країні й під час Великої Вітчизняної війни, а певною мірою і після неї: на деревних чурках працювали навіть автомобілі.
Деревне паливо - не лише дрова
І все ж переважно дрова втратили своє монопольне становище на паливному ринку ще в минулому столітті, а останнім часом вони витісняються з нього зовсім, і не лише кам'яним вугіллям, а насамперед нафтою та природним газом. Сьогодні у світовому енергетичному балансі частка дров не перевищує 3,5%, а в Росії - навіть 1%. Це тим більше примітно, що ще в 1950 році вона становила 9%, а в 1913 році - і зовсім 21%.
Є, втім, і тепер держави, в яких дрова донині - основний вид палива. У країнах Африки, наприклад, на дрова йде 88% усієї заготовленої деревини, у Південній Америці - 68%, а в Індії та Індонезії - 91 і 80% відповідно.
Цілком природно, що й у цих країнах, у міру розвитку в них газифікації та електрифікації, частка споживання дров скорочуватиметься, а з часом досягне звичайного для індустріальних країн рівня в 3-5%. Але це зовсім не означає, що роль деревини в енергетиці буде зведено до мінімуму. Навпаки: вона може різко зрости, хоча й в іншій якості.
Річ у тім, що деревина, яка поступається своїм конкурентам у теплотворній здатності, має перед ними дуже серйозну перевагу. Вона - єдине на Землі відновлюване джерело енергії, тоді як ресурси всіх інших видів палива - нафти, газу, кам'яного вугілля - постійно й неминуче скорочуються.
Розвідані запаси нафти, наприклад, можуть бути, за оцінками експертів, витрачені ще до кінця наступного століття, природний газ - протягом 150 років, а кам'яне вугілля - протягом 350. І хоча в майбутньому можуть бути відкриті інші - поки невідомі - родовища, але рано чи пізно будуть вичерпані й вони. Тим більше що нафта широко використовується не лише як паливо, а й як технологічна сировина для отримання багатьох цінних хімічних продуктів і що саме про неї ще на початку століття Д. І. Менделєєв сказав: «Нафта - не паливо. Топити можна й асигнаціями...»
Не дивно, що сьогодні найбільші нафтові компанії світу виділяють значні кошти на дослідження альтернативних нафті й газу енергоносіїв - насамперед сонячної енергії, а також деревної та рослинної біомаси. Експерти Світового енергетичного союзу не передбачають технологічного прориву в цій галузі щонайменше в найближчі 10-15 років, але в міру скорочення запасів нафти ситуація, безумовно, змінюватиметься.
Кількість же деревини на Землі, як це не дивно, зростає: загальний річний приріст у лісах планети становить у середньому 5,5 мільярда кубометрів, тобто приблизно в 1,5 раза більше за річний обсяг лісозаготівель. Це, однак, зовсім не означає безмежних можливостей під час використання деревини як палива, оскільки попит на пиломатеріали, деревні плити, фанеру, целюлозу та папір теж збільшується. І в перспективі, мабуть, джерелом теплової енергії стануть уже не дрова, а різного роду відходи, що утворюються під час заготівлі та переробки деревини: сучки, гілки, верхівки дерев, кора, тирса, шматки дерева, горбиль, рейки тощо.
Для їх спалювання вже розроблено конструкції спеціальних топок, і у Швеції, наприклад, на такому паливі сьогодні працює понад 200 районних теплоцентралей. А в США, за прогнозами фахівців, кількість деревних відходів, що використовуються в енергетиці, збільшиться в найближчі 30 років не менш ніж у 2,5 раза.
Для зручності вживання таких відходів з них у ряді країн пресують паливні брикети, а з деяких пір подібне виробництво стали налагоджувати і в Росії. Ці брикети зручні за формою, добре горять, їхня щільність набагато вища, ніж у вихідної біомаси, та й тепла вони виділяють в 1,5 раза більше.
І все ж основні перспективи застосування деревини як палива пов'язані не з брикетами й не з дровами, а з переробкою деревної біомаси на рідке й газоподібне паливо. Накопичений у цій галузі досвід важливий для цих перспектив анітрохи не менше, ніж сам чинник відновлення лісових масивів.
Повернення газогенератора
Ще в двадцяті роки в нашій країні з'явилися перші автомобілі, паливом для яких слугували дерев'яні чурочки. У той час це було більш ніж актуально, оскільки з бензином справи стояли дуже погано, а лісів у нас було предостатньо. А вже в 30-х роках було налагоджено серійний випуск таких автомашин і організовано кілька їхніх автопробігів з Москви: до Ленінграда, Середньої Азії та на Далекий Схід. Тим самим було переконливо доведено можливість успішної експлуатації газогенераторних автомобілів як у літніх, так і в зимових умовах (див. «Наука і життя» № 8, 1994 р.).
У 1940 році в лісгоспах працювало понад 4000 газогенераторних автомобілів і тракторів, а під час Великої Вітчизняної війни до цього парку додалася значна частина машин, переведених з рідкого палива на деревне. Це дало змогу економити бензин для потреб військової техніки.
На деревних чурках працював і створений у 1949 році перший у світі трелювальний трактор КТ-12. Потужність його була невелика - удвічі менша, ніж у сучасних «Жигулів», але, маючи дуже непогану прохідність, він цілком успішно справлявся зі своїми обов'язками. У 1955 році на лісозаготівлях працювало понад 20000 газогенераторних тракторів.
Проте експлуатація й особливо технічне обслуговування газогенераторних машин були дуже трудомісткими та вельми складними. Вузли часто виходили з ладу, а сам генератор досить скоро потребував капітального ремонту. Та й чурочки для нього годилися не всякі: треба було добирати і тип деревини, і її вологість, і розміри чурочок. Куди простіше було мати справу з бензиновим або дизельним двигуном: заправив бак пальним - і жодних проблем. Тому надалі газогенераторні автомобілі й трактори поширення не набули, і їх випуск було припинено.
Але самими газогенераторами фахівці займаються досі - як у нас, так і за кордоном. Щоправда, не тими, що встановлюються на транспортних засобах, а іншими - призначеними головним чином для опалення приміщень. Особливо потрібні такі установки в сільських районах, розташованих далеко від магістральних газопроводів. У Бельгії, наприклад, створено малогабаритну газогенераторну установку, здатну обігрівати приміщення об'ємом до 200 кубометрів, тобто площею близько 80 квадратних метрів.
Розробляються конструкції газогенераторів і для промислових цілей, і в перспективі, на думку американських фахівців, подібні установки стануть широко використовуватися в топкових пристроях виробничих підприємств. І насамперед тих, що пов'язані з переробкою деревини, а отже, з появою великої кількості деревних відходів.
Автомобіль на алкоголі
І все ж генераторний газ - не найвигідніше паливо з деревини. Його теплотворна здатність набагато менша, ніж у кам'яного вугілля, природного газу й тим більше нафти. І з цього погляду куди ефективніша переробка деревини не на газове, а на рідке паливо - етанол (етиловий спирт) і метанол (метиловий спирт). Теплотворна здатність першого з них у 6 разів більша, ніж у генераторного газу, а другого - в 4,5 раза. Є в рідкого палива й інші переваги. Його, наприклад, можна возити будь-яким видом транспорту, тоді як генераторний газ доводиться використовувати там, де його виробляють , - на лісозаготівельному або лісопереробному підприємстві.
І нарешті, рідке паливо з деревини істотно менш шкідливе з погляду екології: вміст у вихлопі токсичних речовин знижується при його застосуванні на 25%. А це особливо актуально сьогодні, коли на дорогах нашої планети курсує понад 6 мільярдів автомашин, що викидають в атмосферу за годину їзди від 3 (легкові) до 7 (вантажні) кілограмів окису вуглецю та, крім того, масу інших токсичних речовин: сірчистий газ, окис азоту, сполуки свинцю тощо. Між тим світовий щорічний випуск автомобілів уже досяг 40 мільйонів. Невпинно зростає й парк сільськогосподарських і всілякого роду дорожніх машин, які теж працюють на двигунах внутрішнього згоряння. Загроза задихнутися вихлопними газами стає для людства дедалі реальнішою. І перехід на паливо, при якому токсичність вихлопу знижується хоча б на чверть, був би вельми доцільним. На думку багатьох фахівців, спирти - порівняно недорогі й екологічно безпечніші - замінять з часом хоч частково пальне, що отримується з нафти.
Метанол, який має ще одну назву - деревний спирт, виробляють сухою перегонкою деревини з подальшою ректифікацією (очищенням), а етанол - за допомогою гідролізу. З тонни дерева можна при цьому отримати до 180 літрів спирту й попутно низку цінних продуктів: кормові дріжджі, фурфурол, рідку вуглекислоту, паливний лігнін тощо. В останні роки етанол широко застосовується в Бразилії, де на ньому працює вже кілька мільйонів автомобілів. Виробляють його там із відходів цукрової тростини, бамбука, бур'янових чагарників тощо. У нашій країні теж розроблено цікаві технології отримання рідкого пального з деревини. Особливо значною видається розробка фахівців НВО «Енергомаш», яка дає змогу отримувати з відходів лісозаготівель і лісопереробки диметиловий ефір. Теплотворна здатність цього ефективного палива на 48% вища, ніж у метанолу, і на 15% вища, ніж у етанолу, а з екологічної безпеки він і зовсім перевершує всі традиційні види моторного палива, повністю відповідаючи вимогам європейських стандартів. Під час розроблення технології його отримання використано низку новітніх вітчизняних досягнень науки й техніки, у тому числі в галузі ракетобудування.
«Енергетичні» плантації
Особливий інтерес до деревини як до джерела енергії виник наприкінці 70-х років унаслідок чергової енергетичної кризи. Саме тоді почали серйозно вивчати альтернативні нафті енергоносії, а в ряді країн зайнялися пошуком ефективних технологій енергетичного використання деревини. Але для впровадження цих технологій знадобилася б потужна сировинна база, і в США, наприклад, у 1979 році для цієї мети було розроблено спеціальну програму. Вона передбачала створення так званих «енергетичних» плантацій із застосуванням густого садіння швидкорослих листяних дерев: тополі, евкаліпта, вільхи тощо. За розрахунками, передбачалося зайняти під ці плантації до 10% території всієї країни.
Від традиційних лісонасаджень «енергетичні» відрізняються навіть на вигляд: адже зазвичай дерева стоять одне від одного досить далеко й виростають до необхідних розмірів протягом 30 - 80 років. Розміри ж дерев, що ростуть на «енергетичних» плантаціях, ніякої ролі не відіграють, і тому їх можна на одній і тій самій площі вирощувати в набагато більшій кількості, а оборот вирубки скоротити до 20 років. Продуктивність біомаси дерев, що ростуть у таких умовах, виявляється, за підрахунками американських лісівників, у кілька разів більшою, ніж у звичайних.
Перший досвід створення «енергетичних» плантацій отримано у Швеції, де для цих цілей виділено перезволожені й інші незручні ділянки, непридатні для вирощування товарної деревини. Дослідження показали, що при загущеному садінні, наприклад, вільхи, верби або берези можна лише через три роки знімати цілком прийнятний урожай деревини - до 10-15 тонн сухої біомаси з гектара. Така кількість дає змогу заощадити 4-5 кубометрів нафти. Підраховано, що, засадивши такими плантаціями приблизно 7% території Швеції, можна забезпечити 2/3 її річної потреби в енергії.
У Росії проблема «енергетичних» плантацій поки не стоїть. Деревні відходи, що утворюються в процесі лісозаготівлі та лісопереробки, уже становлять досить потужну сировинну базу для потреб нашого енергетичного господарства. Ось тільки налагодити б їх ретельний збір і утилізацію!
Біля каміна в третьому тисячолітті
Економічний і технологічний аспекти використання деревини не вичерпують, проте, її майбутнього. Адже існує ще аспект суто психологічний. І навряд чи наші нащадки відмовлять собі в задоволенні погрітися біля вогнища на лісовому узліссі, приготувати на тліючому деревному вугіллі шашлик або просто посидіти біля печі чи каміна, спостерігаючи за грою вогню та слухаючи веселе потріскування дров. Недарма ж у найблагоустроєніших і найдорожчих котеджах, оснащених усілякого роду автоматикою для підтримання постійного рівня температури й вологості, неодмінно знаходиться місце для традиційного каміна.
Деревина й енергетика - ці поняття нерозривно пов'язані як у минулому, так і в
сьогоденні. І є серйозні підстави вважати, що в наступному тисячолітті деревина
теж відіграватиме у світовій енергетиці вельми помітну роль.
ЧИ ЛЕГКО ДОБУТИ ВОГОНЬ БЕЗ ЗАПАЛЬНИЧКИ
Робінзону Крузо, як відомо, багато в чому пощастило. Зокрема, в отриманні вогню: першої ж ночі гроза підпалила на його острові одне з дерев.
Куди більше труднощів із добуванням вогню виявилося в героїв «Таємничого острова» Ж. Верна. Гроза їм у цьому не допомогла, і вони спочатку намагалися використати найдавніший із відомих способів - тертя одного шматка сухого дерева об інший. Але оскільки мали вони про цей процес найсмутніше уявлення, то «результат вийшов негативним: шматки дерева ледь нагрілися - менше, ніж самі виконавці досліду».
Нічого дивного в цьому немає: первісні люди добували вогонь не тертям палиці об палицю, а свердлінням одного шматка дерева кінцем іншого. У цьому разі площа поверхонь, що труться, настільки мала, що вони справді розігріваються швидше, ніж встигають охолонути, і деревний пил, який виходить від свердління, в якийсь момент займається.
Саме свердління первісні люди здійснювали загостреною паличкою, яку обертали за допомогою нехитрого пристосування, наприклад лука (див. малюнки), причому найдосвідченішому «свердлувальникові» вдавалося отримати вогонь протягом кількох секунд.
З найдавніших часів добували вогонь і висіканням, що, втім, теж не особливо просто й потребує певної вправності, а також певного набору засобів: залізного або сталевого кресала, кременю, з якого висікаються іскри, і трута - або природного (з гриба-трутовика, що росте на березі), або висушеної, а ще краще просоченої спеціальним складом ганчірки.
Але вже у XIII столітті люди стали застосовувати для отримання вогню запальні скельця (лупи), і саме таким способом отримали його зрештою герої «Таємничого острова». Вони виготовили лупу з двох годинникових скелець, скріпивши їхні краї глиною та попередньо наповнивши водою.
Ще цікавішим чином добули вогонь персонажі іншого роману Жюля Верна - «Подорож капітана Геттераса», які виготовили лінзу в Арктиці з прозорого шматка криги, витесаного з величезної крижини. Є в такому способі серйозні труднощі: крига має бути справді цілком прозорою й не повинна містити повітряних бульбашок. Але якщо виготовити крижану лінзу в домашніх умовах, налив у миску воду й виставивши її на мороз, а потім цю лінзу відполірувати, то за її допомогою можна й справді отримати вогонь.
Д. РОХЛЕНКО, експерт правління Російського лісового науково-технічного товариства.
Книги та статті для завантаження:
- ПЕРЕДОВИЙ ДОСВІД У ВИКОРИСТАННІ ЕНЕРГІЇ БІОМАСИ. Укладач: John Vos. Мінськ, 2006